Введение к работе
Актуальность темы. Одними из главных требований, предъявляемых к фотоэлектрическим приемникам излучений, являются: высокая чувствительность, определенный диапазон спектральной чувствительности, высокое быстродействие, простота технологии изготовления и дешевизна. К настоящему времени известен целый ряд полупроводников и структур на их основе, чувствительных к ИК- области оптического спектра. Существуют высокочувствительные полупроводниковые приборы на основе монокристаллов халькогенидов свинца, InSb и InAs, работающие в ИК - области спектра, однако интерес к поликристаллическим ИК- фотоприемникам- на основе халькогенидов свинца не ослабевает. Прежде всего это связано с простотой технологии изготовления и низкой себестоимостью на основе массивных и пленочных поликристаллов. Другая причина в том, что большинство полупроводников, на основе-которых могут быть созданы-фоторезисторы на длинноволновую область спектра, являются низкоомными и имеют малые времена жизни неравновесных электронов и дырок. Например, минимальная концентрация свободных носителей, которую в настоящее время удается получить, составляет 1016 см-3 в InAs и 1017 см-3 в монокристаллах PbTe, PbSe, PbS. В Pbi-xSn^Te за счет компенсации удается снизить концентрацию свободных носителей до 101S см-3, однако времена жизни при этом не превышают 10-* сек. Малые удельные сопротивления и времена жизни фотоносителей в этих и других узкозонных полупроводниках не позволяют до сих пор получить высокочувствительные ИК- детекторы на их основе, из-за проблем, связанных с коммутацией и малостью регистрируемого сигнала. В поликристаллах высокоомность сопровождается очень большими временами жизни.
Перед разработчиком конкретного фотодетектора стоят проблемы:
увеличение чувствительности;
увеличение быстродействия (переключения).
Одновременное обеспечение обоих положительных качеств пред
ставляется труднодостижимой, а порой недостижимой задачей. Зача
стую для достижения практических целей бывает достаточно значи
тельного увеличения одного из вышеупомянутых свойств детекторов.
В отличие от монокристаллов в поликристаллах способы управления
теми или иными свойствами более разнообразны как в технологи
ческом аспекте, так и внешним воздействием.
До недавного времени реализация различных эффектов в поликристаллах халькогенидов свинца являлась скорее технологическим искусством, нежели целенаправленным решением научной задачи. Это связано с тем, что четких физических представлений о раде важных моментов в явлениях электронного и атомного переноса ли-
бо не было, либо они представлялись лишь в качественном аспекте. Стало ясно, что без понимания механизмов физических процессов в поликристаллах прогресс в улучшении характеристик приборов на их основе невозможен. Наметился круг принципиальных задач, решение которых должно было способствовать развитию физики поликристаллических фотодетекторов. Перечислим их:
разнообразие во внутренней структуре поликристаллов, чувствительной к технологии их изготовления, требует тщательного изучения природы структурных неоднородностей и их влияния на энергетический рельеф, а также выявление совокупности параметров опи-сивающих физическое состояние пленки;
создание фоточувствительных структур на основе поликристаллов предполагает специальную обработку в различных средах, поэтому необходимо понимание физико-химических процессов, ответственных за очувствление;
разработка методов целенаправленного воздействия на внутреннюю структуру для задания пленкам требуемых свойств;
установление корреляции между структурной перестройкой и электронными явлениями в поликристаллах при воздействии различных полей, включая радиационные.
Решение этих задач предполагает комплексное исследование технологии получения поликристаллов, изучение механизмов формирования их структуры и измерение необходимого и достаточного числа физических параметров для разработки адекватных моделей электронных и атомных процессов, протекающих в них в равновесных и неравновесных условиях.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы было установление совокупности физических параметров необходимых и достаточных для описания физических состояний и кинетических процессов в чувствительных элементах на основе халькогенидов свинца. В этой связи были поставлены следующие задачи:
- разработка адекватной технологии получения пленок, в кото
рых возможно наблюдение всех ранее полученных результатов, а в ря
де случаев новых эффектов;
-разработка экспериментальных методов определения достаточного числа физических параметров слоев для выявления механизма электронных процессов.
определение корреляции между содержанием кислорода в фотослоях и их физическими свойствами;
поиск путей перевода фотослоев из состояния с одними физическими параметрами в другое в процессе посттехнологической обработки;
определение физико-химических условий вцедрения и вывода кислорода из пленок;
изучение влияніл у - и нейтронного облучения на свойства ИК -детектороз на основе солеи свинца;
разработка технологии радиационностойких фотодетекторов на основе поликристаллических халькогенндов свинца.
Объект исследования. В диссертаций. изучались поликристалли- * ческие пленки халькогенндов свинца с различными размерами кристаллитов и различным содержанием кислорода, полученные химическими и физическими методами и подвергнутые воздействию сред и факторов, вызывающих в них кинетические процессы.
Научная новизна. Проведенные исследования выявили технологические возможности задания пленочным фотодетекторам практически важных свойств н основные закономерности формирования и эволюции макродефектов в условиях получения или действия температурных и радиационных полей, а также позволили установить специфику электронных процессов при неизменной и меняющейся атомной структуре.
Получены следующие новые результаты:
-
Развить физическая модель проводимости и фотопроводимости в поликристаллических пленочных структурах на основе узкозонных полупроводников типа.PbS.
-
Разработана экспериментальная методика одновременного измерения в поликристаллических фотодетекторах-TnnaPbS температурных зависимостей проводимости (с) , постоянной Холла (Rh), фотопроводимости (Дс) и постоянной времени ее спада (т), позволяющих, определить энергии активации этих величин. Доказано, что знание энергий активации с, RH, Да, т необходимо и достаточно для построения однозначной модели физических процессов в фотодетекторах типа PbS.
-
Установлено, что в зависимости от технологии изготовления поликристаллические фоточувствительные пленки типа PbS можно разбить на два класса: окисленные и переокисленные. Кроме того соотношения между энергиями активации основных параметров, в зависимости от концентрации поверхностных состояний выделяют три группы, которые объединяют все фотодетекторы.
-
Доказано, что энергии активации холловских и фотоэлектрических параметров пленок изменяются при обработке в кислородосо-держащей среде -или в вакууме. При этом- наблюдается переход пленок из класса в класс и из группы в группу. Последнее открывает технологические возможности создания пленок с повторяемыми свойствами.
-
Вперзые экспериментально установлено, что энергия ионизации поверхностных состояний-зависит от их концентрации, причем с уменьшением концентрации акцепторов в окисных фазах происходит уменьшение энергии ионизации поверхностных состояний.
б. В поликристаллах PbS впервые обнаружено отклонение от закона Ома в сильных электрических полях. Выявлено, что наблюдаемый эффект объясняется в рамках теории нелинейной перколяционной проводимости в неоднородных структурах.
» 7. Обнаружены и объяснены инверсия знака коэффициентов Холла и термоэдс в блочно-монокрнсталлических и поликристаллнческнх пленках халькогенидов свинца при воздействии температуры и ИК-подсветки, обусловленная преобладанием в проводимости вклада фоновых дырок относительно термоэлектронов.
-
Установлены закономерности диффузионных процессов, связанных с перераспределением на границах кристаллитов (ГК) кислоро-досодержащих комплексов, при термическом и радиационном воздействии.
-
Определены диффузионные параметры истощения ГК активирующей примесью при термическом и радиационном воздействии на пленки PbTe, PbS, PbSe и показана их однотипность.
Вклад автора в разработку проблемы. В основу данной.работы положены оригинальные результаты полученные автором в течение многолетних исследований полупроводниковых пленочных материалов на основе солей свинца. Все экспериментальные исследования и их физическое объяснение выполнены лично автором. Теоретическая интерпретация некоторых экспериментальных результатов выполнена совместно с докторами физико-математических наук В.В.Осиповым, Л.Н.Неустроевым и Ш.Б.Атакуловым.
Основные положения выносимые на защиту. 1. Особенности энергий активации проводимости (а) , постоянной Холла (RH), фотопроводимости (До) и постоянной времени ее спада (т) в зависимости от концентрации дефектных электронов в объеме кристаллитов и поверхностных состояний, что позволили определить механизм проводимости и фотопроводимости в поликристаллических пленках типа PbS.
2. Методика и установка для одновременного измерения температурных зависимостей основных параметров поликристаллических пленок халькогенидов свинца.
З.Классификация поликристаллических пленок типа PbS в зависимости от структуры и рекомбинационных процессов.
-
Закономерности изменения основных параметров поликристаллических пленок при воздействии температурных и электромагнитных полей, ионизирующих излучений.
-
Пути целенаправленного изменения технологии получения пленок и посттехнологической обработки для достижения требуемых рабочих параметров пленочных ИК-детекторов на основе солей свинца.
Научная и практическая знзчішость результатов:
-
Установлены способы целенаправленного изменения физических параметров поликристаллических пленок халькогенидов свинца урегулированием технологических процессов и посттехнологической воздействием.
-
Изученные в работе закономерности термической и радиационной деградации поликристаллических пленок халькогенидов свинца и различных герметизирующих покрытии, позволяют установить ресурс и надежность пленочных приборов и находить пути их повышения.
Апробация работы и лублнкации.Основные результаты диссертации доложены на: Республиканской школе молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы физики полупроводников" (Фергана, 19S2), IV Всесоюзном семинар-совещании "Перспективы развытия и практическое применение методов тензометрии при исследовании прочности конструкций"(Фергана,1983), II Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, I9S4), I и IV Всесоюзных семинарах "Полупроводниковые материалы для термоэлектрических преобразователей" (Ленинград, 1985, 1992), Республиканской конференции молодых ученых "Актуальные вопросы прикладной физики" (Ташкент, 1985), II Всесоюзной конференции "Материаловедение халькогенидных и кислородо-содержащих полупроводников" (Черновцы, 1986), Всесоюзной закрытой конференции по радиационной физике (Баку, 1989), Всесоюзной научной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках (Ташкент, 1989), Республиканской научно-практической конференции молодых ученых Таджикистана (Курган-Тюбе, 1991), Международной конференции "Маркетинг-летательных аппаратов" (Фергана, 1996), Международных научных конференциях по физике полупроводников (Ташкент, 1997; Бухара, 1997). Они неоднократно обсуждалась на научных семинарах института прикладной физики (г.Москва), МИ-СиС (г.Москва), Отдела теплофизики АН РУз, Ташкентского и Ферганского госуниверситетов и других научных центров.
Диссертация обсуждена и одобрена на расширенном научном семинаре физического факультета ФерГУ (npoT.N 1 от 17.10.96 г.),
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы 35 научных работах, в том числе 1- монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 218 наименований. Она содержит 218 страниц, включая 39 рисунков и 13 таблиц.
